調(diào)虧灌溉和施氮對春玉米根區(qū)土壤水分、硝態(tài)氮分布及產(chǎn)量的影響

成一雄

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

春玉米作為北方優(yōu)勢糧食作物之一，如何采用合理的灌施策略在提高產(chǎn)量、保持土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水化，是當(dāng)前有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)亟需解決的關(guān)鍵問題[1]。國內(nèi)外大量研究表明，基于調(diào)虧灌溉進(jìn)行生物節(jié)水能夠?qū)崿F(xiàn)大田作物的水資源高效利用[2-3]，且相關(guān)研究者就不同調(diào)虧灌溉策略下玉米等農(nóng)作物根區(qū)土壤微環(huán)境變化以及最終產(chǎn)量形成等進(jìn)行了系列研究[4-5]，但針對具體某區(qū)域內(nèi)調(diào)虧灌溉策略的選擇仍需結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)一步分析。同時(shí)，隨著對水氮耦合效應(yīng)認(rèn)識的不斷加深，以水促肥、以肥調(diào)水顯得尤其重要，需將水氮因素協(xié)同考慮，方能夠提出合理的調(diào)虧灌溉策略。當(dāng)前，就調(diào)虧灌溉和施氮的研究主要集中于玉米、小麥、西紅柿、枸杞和花生等作物[6-7]，針對玉米的研究多集中于干旱區(qū)地上或地下的劑量效應(yīng)分析[8]，而就山西省黃土高原地區(qū)調(diào)虧灌溉和施氮下對春玉米根區(qū)土壤環(huán)境和產(chǎn)量的研究還相對較少?；诖?，本文研究了調(diào)虧灌溉和施氮對玉米根區(qū)土壤水分、硝態(tài)氮和產(chǎn)量的影響，可為提出北方地區(qū)春玉米的合理灌溉模式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省太原市西溫莊的農(nóng)作物節(jié)水試驗(yàn)基地，該區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶园敫珊禋夂?，年平均降雨?30mm，年平均氣溫9.5℃，年平均蒸發(fā)量為1812.7mm。土壤質(zhì)地為黏壤土，土壤田間持水量為0.31cm3/cm3。土壤顆分、比重試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 土壤顆分、比重試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)(見表2)可知，試驗(yàn)地表層0～20cm的土壤養(yǎng)分為2～3級，20～50cm的土壤養(yǎng)分為3～4級，總體說來，肥力中等偏上。

表2 土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2 試驗(yàn)方案

在前期預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，該試驗(yàn)以灌水時(shí)間和施氮量為變量。其中，水分設(shè)7個(gè)處理：全生育期灌水(ICK)、苗期不灌水(I1)、拔節(jié)期不灌水(I2)、抽穗期不灌水(I3)、灌漿期不灌水(I4)、苗期與灌漿期不灌水(I14)、拔節(jié)期與灌漿期不灌水(I24)。單次灌溉定額一致，均為100mm，具體灌水方案見表3。氮肥施用尿素(N含量為46%)，設(shè)4個(gè)水平：N0為不施肥，N1施肥量為60kg/hm2，N2施肥量為120kg/hm2，N3施肥量為180kg/hm2。試驗(yàn)為完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共28個(gè)處理，重復(fù)3次，試驗(yàn)小區(qū)面積為5.5m×3.5m。其他肥料和田間管理各處理均一致，其中，磷肥施用過磷酸鈣(P2O5含量為16%)，一次性施入，施入量為120kg/hm2。

春玉米為當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N(屯玉46號)，2015年4月覆膜播種，種植密度為75000株/hm2，行距、株距均為30cm。三葉期后定苗，每穴留生長健壯幼苗1株。10月5日左右收獲。

表3 不同灌水處理方案

1.3 測量項(xiàng)目與方法

土壤含水量采用烘干法測定。將取回的土樣稱其鮮重，然后放入烘箱中80℃下烘干24h，之后取出稱量的重量即為干重，烘干土壤中水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值即為土壤質(zhì)量含水量。

土壤硝態(tài)氮用連續(xù)流動分析儀進(jìn)行測定。在春玉米不同生育期利用土鉆取土，將土壤樣品經(jīng)振蕩、浸提、過濾后使用AA3連續(xù)流動分析儀測定。

在玉米進(jìn)入生育末期，采集小區(qū)內(nèi)所有玉米進(jìn)行稱重，計(jì)算每個(gè)處理的產(chǎn)量。

2 分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS進(jìn)行處理與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水氮條件下春玉米根區(qū)土壤含水量變化

根區(qū)土壤含水量是明確植物水分虧缺狀況和評價(jià)灌溉策略最直觀和有效的指標(biāo)之一，通常根區(qū)土壤中水分含量隨玉米根部深度的增加而呈現(xiàn)水分減少的趨勢。以苗期為例可知(見圖1)，灌溉與不灌溉下不同土壤深度含水量的變化趨勢基本一致，均隨著土壤深度的增大呈現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律。而不同施氮量下，土壤含水率變化有所差異。其中，無氮、低氮和中氮處理下各個(gè)土壤深度均表現(xiàn)出ICK處理下的土壤含水量大于I1處理。而高氮處理下表現(xiàn)為上層土壤中ICK處理大于I1處理，中層土壤中二者基本一致，下層土壤中ICK處理小于I1處理，這可能是由于土壤中硝態(tài)氮含量較高，在上層土壤中根系吸收水分和硝態(tài)氮后，土壤中剩余水分和硝態(tài)氮含量仍然較高，剩余的硝態(tài)氮可滿足更深層次土壤中根系生長的需要，而氮素的運(yùn)移需要水分作為介質(zhì)，使得土壤中的水分加速向土壤深處運(yùn)移，深層次的根系會吸收一定量的水分和硝態(tài)氮，從而ICK處理下深層土壤中水分含量較小。

圖1 播后苗期各處理土壤含水量

圖2 收獲期各處理土壤水分含量

收獲后土壤儲水量情況(見圖2)，能夠間接指示作物水分利用和蒸騰耗散情況。在不施氮情況下(N0)，各處理土壤含水量基本呈先增加后減小的趨勢，I2和I3處理60cm以下平均土壤含水量顯著增大，說明拔節(jié)期和抽穗期虧水能夠增加收獲后60cm以下土壤的儲水量；ICK處理20～40cm土壤平均含水量最小，這是由于充分灌溉下植物為了吸收更多的養(yǎng)分增加了對中深層土壤水的吸收利用，導(dǎo)致20～40cm土壤水分明顯降低。在低氮條件下(N1)，ICK處理平均土壤含水量最大，I4處理平均土壤含水量最低。中氮(N2)和高氮(N3)條件下，各層土壤水分變化差異并不顯著。其中，中氮條件不同處理下土壤含水量變化情況與不施氮處理類似，I2處理平均土壤含水量最大，ICK處理下表層土壤含水量增加顯著。而高氮條件下，I1和I3處理表層0～20cm的土壤含水量基本一致，均小于其余處理，I1和ICK整體平均土壤含水量無顯著差異。

3.2 不同水氮條件下春玉米根區(qū)土壤硝態(tài)氮變化

硝態(tài)氮是植物吸水氮素的主要形態(tài)，也是評價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因子，通常根區(qū)土壤中硝態(tài)氮含量隨玉米根部深度增加而呈現(xiàn)減少的趨勢。由圖3可知，各處理下苗期春玉米不同深度土壤硝態(tài)氮的累積量變化規(guī)律基本一致。ICK處理?xiàng)l件下，各個(gè)氮肥處理的變化趨勢均為先增大再逐漸減小，上層土壤的硝態(tài)氮含量隨著土壤深度的增加而增大，中、下層的硝態(tài)氮含量逐漸減小。這主要是由于土壤中的硝態(tài)氮隨著水分向土壤深處運(yùn)移，在這一過程中土壤中的硝態(tài)氮供給量大于玉米根系的硝態(tài)氮需求量，使得剩余部分硝態(tài)氮在上層土壤中積累下來，因此上層土壤中的硝態(tài)氮含量逐漸增大，隨著土壤深度的進(jìn)一步增加，上層土壤中氮素被上層根系大量吸收，使得中、下層土壤中的硝態(tài)氮含量逐漸減小。

I1處理?xiàng)l件下，無氮處理的變化趨勢為先減小再增大再減小，低氮、中氮和高氮處理的變化趨勢為先減小后逐漸趨于穩(wěn)定，呈L形變化。隨著土壤深度的增加，上層土壤的硝態(tài)氮含量顯著減小，中、下層土壤硝態(tài)氮含量逐漸趨于穩(wěn)定。這主要是由于土壤含水量較小，使得土壤中硝態(tài)氮的運(yùn)移相對較困難，無氮處理?xiàng)l件下玉米根系吸收土壤中原有的硝態(tài)氮，隨著土壤深度的增加，硝態(tài)氮含量增高可能是由土壤礦物氮硝化和上層的硝態(tài)氮向下遷移形成的，上層土壤中的硝態(tài)氮向下運(yùn)移較困難使得下層土壤中的硝態(tài)氮含量再減小。而其他3種氮肥處理下硝態(tài)氮呈現(xiàn)出L形變化趨勢主要是由于施氮處理后土壤中的硝態(tài)氮含量增加，而玉米根系主要集中在土壤的上層，根系生長吸收大量的硝態(tài)氮，使得上層土壤中硝態(tài)氮含量顯著減小，隨著土壤深度的增加，玉米根系逐漸減少，使得土壤中的硝態(tài)氮含量逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 播后苗期各處理土壤硝態(tài)氮累計(jì)量

由圖3可知，由于表面施氮的原因，各處理春玉米根區(qū)0～40cm土層硝態(tài)氮累積量均較大，且隨著施氮量的增大而增大。其中苗期不灌水處理(I1)在各個(gè)氮肥處理下土壤硝態(tài)氮累積量均在剖面0～20cm處最大，硝態(tài)氮分布呈L形，高氮(N3)處理表層0～20cm硝態(tài)氮累積量達(dá)到129.50kg/hm2，分別是中氮(N2)處理、低氮(N1)處理和無氮(N0)處理的1.86倍、2.80倍和3.87倍。而苗期灌水(ICK)處理剖面峰值主要分布在40cm左右，其中高氮處理在20～40cm硝態(tài)氮累積量平均最大，為133.20kg/hm2，分別是中氮處理、低氮處理、無氮處理的2.25倍、2.49倍、5.98倍，表明春玉米苗期灌水處理導(dǎo)致根區(qū)土壤硝態(tài)氮加速向下運(yùn)移。高氮(N3)處理0～100cm根區(qū)土壤剖面硝態(tài)氮累積量平均最大，達(dá)243.64kg/hm2，分別是中氮(N2)處理、低氮(N1)處理、無氮(N0)處理的1.97倍、1.64倍、3.20倍。

收獲后取土樣，土壤硝態(tài)氮在剖面上累積量代表了硝態(tài)氮?dú)埩舻亩嗌?。由圖4可知，土壤硝態(tài)氮的殘留量為高氮處理>中氮處理>低氮處理>無氮處理，其中高氮處理0～100cm殘留量達(dá)122.22kg/hm2，分別是中氮處理、低氮處理和無氮處理的1.95倍、3.83倍和5.44倍。與苗期根區(qū)0～100cm硝態(tài)氮累積量相比，高氮處理減小幅度最大，為121.42kg/hm2，其減少幅度分別是中氮處理、低氮處理和無氮處理的2.00倍、1.04倍和2.26倍，說明高肥處理硝態(tài)氮淋失最為嚴(yán)重，降低了氮肥的利用效率。

表4是不同水氮處理下春玉米產(chǎn)量的變化規(guī)律。由表4可知，在各個(gè)氮肥水平下，充分灌水處理籽粒產(chǎn)量最高，并且隨著施氮量的增加，籽粒產(chǎn)量增大。在無氮處理?xiàng)l件下，I14、I24、I1和I3處理顯著影響籽粒產(chǎn)量，分別比ICK處理減產(chǎn)38.28%、18.73%、16.88%和16.72%，由此可見，在無氮處理?xiàng)l件下苗期和灌漿期均虧水會嚴(yán)重影響玉米產(chǎn)量，說明苗期和灌漿期是影響籽粒產(chǎn)量的敏感期。

圖4 收獲后各處理土壤硝態(tài)氮累計(jì)量

3.3 不同水氮條件下春玉米產(chǎn)量變化

進(jìn)一步分析可知，低氮水平下玉米籽粒產(chǎn)量與灌水量成正相關(guān)關(guān)系，ICK處理下產(chǎn)量最高，達(dá)12416.52kg/hm2，分別是300mm和200mm灌溉水平的1.13倍和1.30倍，I14處理對玉米籽粒產(chǎn)量影響最大，其次是I24和I3處理。在中氮處理水平下，抽穗期不灌水嚴(yán)重影響籽粒產(chǎn)量，較充分灌水處理下降26.34%，其次是I24、I3和I14處理，其余時(shí)期虧水對玉米籽粒產(chǎn)量影響不顯著。高氮處理?xiàng)l件下除苗期不灌水處理外，其他處理都對春玉米產(chǎn)量影響顯著，其中I3處理產(chǎn)量最低，較充分灌水處理減產(chǎn)19.94%。在各個(gè)水分處理?xiàng)l件下，無氮處理產(chǎn)量最低，產(chǎn)量與施氮成正相關(guān)關(guān)系，說明施氮量是影響春玉米產(chǎn)量的重要因素，施氮具有明顯的增產(chǎn)作用。

表4 不同水氮處理下春玉米產(chǎn)量情況

4 結(jié) 論

本文通過對調(diào)虧灌溉下灌水和施氮對春玉米根區(qū)氮素運(yùn)移和土壤含水量的分析研究，得出以下結(jié)論：

a.不同施氮量對不同調(diào)虧灌溉下根區(qū)水分變化影響不一致，不施氮條件下拔節(jié)期不灌水對根區(qū)土壤水分的影響較小，低氮條件下灌漿期不灌水對土壤水分影響顯著，中氮和高氮處理會減弱調(diào)虧灌溉對土壤水分的影響。

b.不同處理土壤殘留硝態(tài)氮含量存在顯著差異，但變化趨勢基本相同，隨著春玉米生長時(shí)間的變化基本呈遞減趨勢，均呈現(xiàn)高氮處理下，土壤硝態(tài)氮累積量最高，但高肥處理硝態(tài)氮淋失最為嚴(yán)重，降低了氮肥的利用效率。

c.調(diào)虧灌溉會降低春玉米產(chǎn)量，但春玉米產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，且不同水氮策略對春玉米產(chǎn)量的影響不同。在不施氮條件下，苗期和灌漿期虧水會嚴(yán)重影響春玉米產(chǎn)量，降產(chǎn)率為38.3%；而隨著施氮量的增加，苗期和灌漿期虧水對春玉米最終產(chǎn)量的影響將逐漸減弱；中氮和高氮處理下抽穗期虧水將顯著降低春玉米產(chǎn)量，降產(chǎn)率為20.6%。